账号加密算法哪家强？BCryptPasswordEncoder

引言

在项目开发过程中，注册时需要向数据库写入用户账号信息，其中主要包括用户名和密码。

那么，密码你是明文显示还是经过加密了呢？

如果直接明文显示，在数据库中可以直接查看用户密码；如果经过加密，则数据库中无法直接获取用户密码。

很显然，密码采用明文的方式实在是太不安全了。一方面，系统的维护管理人员可以直接获得用户密码；另一方面，如果信息被网络拦截后，用户密码很容易被非法盗取。

所以，密码不加密非常不安全。

密码加密方式

加密算法整体上可以分为不可逆加密，以及可逆加密，可逆加密又可以分为对称加密和非对称加密。

不可逆算法

不可逆加密的算法的加密是不可逆的，密文无法被还原成原文。

散列算法，就是一种不可逆算法。散列算法中，明文通过散列算法生成散列值，散列值是长度固定的数据，和明文长度无关。

散列算法的具体实现有很多种，常见的包括MD5、SHA1、SHA-224、SHA-256等等。

散列算法常用于数字签名、消息认证、密码存储等场景。

散列算法是不需要密钥的，当然也有一些不可逆算法，需要密钥，例如HMAC算法。

MD5

MD5，全称为“Message-Digest Algorithm 5”，翻译过来叫“信息摘要算法”。它可以将任意长度的数据通过散列算法，生成一个固定长度的散列值。MD5算法的输出长度为128位，通常用32个16进制数表示。

public class MD5 {
    private static final String MD5_ALGORITHM = "MD5";
    public static String encrypt(String data) throws Exception {
        // 获取MD5算法实例
        MessageDigest messageDigest = MessageDigest.getInstance(MD5_ALGORITHM);
        // 计算散列值
        byte[] digest = messageDigest.digest(data.getBytes());
        Formatter formatter = new Formatter();
        // 补齐前导0，并格式化
        for (byte b : digest) {
            formatter.format("%02x", b);
        }
        return formatter.toString();
    }

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        String data = "Hello World";
        String encryptedData = encrypt(data);
        System.out.println("加密后的数据：" + encryptedData);
    }
}

MD5有一些优点，比如计算速度快、输出长度固定、应用广泛等等。

但是作为一个加密算法，它有一个天大的缺点，那就是不安全。

MD5 算法已经被攻破，而且 MD5 算法的输出长度有限，攻击者可以通过暴力破解或彩虹表攻击等方式，找到与原始数据相同的散列值，从而破解数据。

虽然可以通过加盐，也就是对在原文里再加上一些不固定的字符串来缓解，但是完全可以用更安全的SHA系列算法替代。

SHA-256

SHA（Secure Hash Algorithm）系列算法是一组密码散列函数，用于将任意长度的数据映射为固定长度的散列值。SHA系列算法由美国国家安全局（NSA）于1993年设计，目前共有SHA-1、SHA-2、SHA-3三种版本。

其中SHA-1系列存在缺陷，已经不再被推荐使用。

SHA-2算法包括SHA-224、SHA-256、SHA-384和SHA-512四种散列函数，分别将任意长度的数据映射为224位、256位、384位和512位的散列值。

public class SHA256 {
    private static final String SHA_256_ALGORITHM = "SHA-256";
    public static String encrypt(String data) throws Exception {
        //获取SHA-256算法实例
        MessageDigest messageDigest = MessageDigest.getInstance(SHA_256_ALGORITHM);
        //计算散列值
        byte[] digest = messageDigest.digest(data.getBytes());
        StringBuilder stringBuilder = new StringBuilder();
        //将byte数组转换为15进制字符串
        for (byte b : digest) {
            stringBuilder.append(Integer.toHexString((b & 0xFF) | 0x100), 1, 3);
        }
        return stringBuilder.toString();
    }

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        String data = "Hello World";
        String encryptedData = encrypt(data);
        System.out.println("加密后的数据：" + encryptedData);
    }
}

SHA-2 算法之所以比 MD5 强，主要有两个原因：

• 散列值长度更长：例如 SHA-256 算法的散列值长度为256位，而 MD5 算法的散列值长度为 128 位，这就提高了攻击者暴力破解或者彩虹表攻击的难度。

• 更强的碰撞抗性：SHA 算法采用了更复杂的运算过程和更多的轮次，使得攻击者更难以通过预计算或巧合找到碰撞。

当然，SHA-2 也不是绝对安全的，散列算法都有被暴力破解或者彩虹表攻击的风险，所以，在实际的应用中，加盐还是必不可少的。

对称加密算法

对称加密算法，使用同一个密钥进行加密和解密。

加密和解密过程使用的是相同的密钥，因此密钥的安全性至关重要。如果密钥泄露，攻击者可以轻易地破解加密数据。

常见的对称加密算法包括DES、3DES、AES等。其中，AES算法是目前使用最广泛的对称加密算法之一，具有比较高的安全性和加密效率。

DES

DES（Data Encryption Standard）算法是一种对称加密算法，由IBM公司于1975年研发，是最早的一种广泛应用的对称加密算法之一。

DES算法使用56位密钥对数据进行加密，加密过程中使用了置换、替换、异或等运算，具有较高的安全性。

public class DES {
    private static final String DES_ALGORITHM = "DES";

    /**
     * DES加密
     *
     * @param data 待加密的数据
     * @param key  密钥，长度必须为8位
     * @return 加密后的数据，使用Base64编码
     */
    public static String encrypt(String data, String key) throws Exception {
        // 根据密钥生成密钥规范
        KeySpec keySpec = new DESKeySpec(key.getBytes());
        // 根据密钥规范生成密钥工厂
        SecretKeyFactory secretKeyFactory = SecretKeyFactory.getInstance(DES_ALGORITHM);
        // 根据密钥工厂和密钥规范生成密钥
        SecretKey secretKey = secretKeyFactory.generateSecret(keySpec);

        // 根据加密算法获取加密器
        Cipher cipher = Cipher.getInstance(DES_ALGORITHM);
        // 初始化加密器，设置加密模式和密钥
        cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, secretKey);
        // 加密数据
        byte[] encryptedData = cipher.doFinal(data.getBytes());
        // 对加密后的数据进行Base64编码
        return Base64.getEncoder().encodeToString(encryptedData);
    }

    /**
     * DES解密
     *
     * @param encryptedData 加密后的数据，使用Base64编码
     * @param key           密钥，长度必须为8位
     * @return 解密后的数据
     */
    public static String decrypt(String encryptedData, String key) throws Exception {
        // 根据密钥生成密钥规范
        KeySpec keySpec = new DESKeySpec(key.getBytes());
        // 根据密钥规范生成密钥工厂
        SecretKeyFactory secretKeyFactory = SecretKeyFactory.getInstance(DES_ALGORITHM);
        // 根据密钥工厂和密钥规范生成密钥
        SecretKey secretKey = secretKeyFactory.generateSecret(keySpec);

        // 对加密后的数据进行Base64解码
        byte[] decodedData = Base64.getDecoder().decode(encryptedData);
        // 根据加密算法获取解密器
        Cipher cipher = Cipher.getInstance(DES_ALGORITHM);
        // 初始化解密器，设置解密模式和密钥
        cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, secretKey);
        // 解密数据
        byte[] decryptedData = cipher.doFinal(decodedData);
        // 将解密后的数据转换为字符串
        return new String(decryptedData);
    }

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        String data = "Hello World";
        String key = "12345678"; 

        String encryptedData = encrypt(data, key);
        System.out.println("加密后的数据：" + encryptedData);

        String decryptedData = decrypt(encryptedData, key);
        System.out.println("解密后的数据：" + decryptedData);
    }
}

DES的算法速度较快，但是在安全性上面并不是最优选择，因为DES算法的密钥长度比较短，被暴力破解和差分攻击的风险比较高，一般推荐用一些更安全的对称加密算法，比如3DES、AES。

AES

AES（Advanced Encryption Standard）即高级加密标准，是一种对称加密算法，被广泛应用于数据加密和保护领域。AES算法使用的密钥长度为128位、192位或256位，比DES算法的密钥长度更长，安全性更高。

public class AES {
    private static final String AES_ALGORITHM = "AES";
    // AES加密模式为CBC，填充方式为PKCS5Padding
    private static final String AES_TRANSFORMATION = "AES/CBC/PKCS5Padding";
    // AES密钥为16位
    private static final String AES_KEY = "1234567890123456";
    // AES初始化向量为16位
    private static final String AES_IV = "abcdefghijklmnop";

    /**
     * AES加密
     *
     * @param data 待加密的数据
     * @return 加密后的数据，使用Base64编码
     */
    public static String encrypt(String data) throws Exception {
        // 将AES密钥转换为SecretKeySpec对象
        SecretKeySpec secretKeySpec = new SecretKeySpec(AES_KEY.getBytes(), AES_ALGORITHM);
        // 将AES初始化向量转换为IvParameterSpec对象
        IvParameterSpec ivParameterSpec = new IvParameterSpec(AES_IV.getBytes());
        // 根据加密算法获取加密器
        Cipher cipher = Cipher.getInstance(AES_TRANSFORMATION);
        // 初始化加密器，设置加密模式、密钥和初始化向量
        cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, secretKeySpec, ivParameterSpec);
        // 加密数据
        byte[] encryptedData = cipher.doFinal(data.getBytes(StandardCharsets.UTF_8));
        // 对加密后的数据使用Base64编码
        return Base64.getEncoder().encodeToString(encryptedData);
    }

    /**
     * AES解密
     *
     * @param encryptedData 加密后的数据，使用Base64编码
     * @return 解密后的数据
     */
    public static String decrypt(String encryptedData) throws Exception {
        // 将AES密钥转换为SecretKeySpec对象
        SecretKeySpec secretKeySpec = new SecretKeySpec(AES_KEY.getBytes(), AES_ALGORITHM);
        // 将AES初始化向量转换为IvParameterSpec对象
        IvParameterSpec ivParameterSpec = new IvParameterSpec(AES_IV.getBytes());
        // 根据加密算法获取解密器
        Cipher cipher = Cipher.getInstance(AES_TRANSFORMATION);
        // 初始化解密器，设置解密模式、密钥和初始化向量
        cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, secretKeySpec, ivParameterSpec);
        // 对加密后的数据使用Base64解码
        byte[] decodedData = Base64.getDecoder().decode(encryptedData);
        // 解密数据
        byte[] decryptedData = cipher.doFinal(decodedData);
        // 返回解密后的数据
        return new String(decryptedData, StandardCharsets.UTF_8);
    }

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        String data = "Hello World";

        String encryptedData = encrypt(data);
        System.out.println("加密后的数据：" + encryptedData);

        String decryptedData = decrypt(encryptedData);
        System.out.println("解密后的数据：" + decryptedData);
    }
}

AES算法采用的密钥长度更长，密钥空间更大，安全性更高，能够有效地抵抗暴力破解攻击。

当然，因为密钥长度较长，需要的存储也更多。

对于对称加密算法而言，最大的痛点就在于密钥管理困难，相比而言，非对称加密就没有这个担忧。

非对称加密算法

非对称加密算法需要两个密钥，这两个密钥互不相同，但是相互匹配，一个称为公钥，另一个称为私钥。

使用其中的一个加密，则使用另一个进行解密。例如使用公钥加密，则需要使用私钥解密。

RSA

RSA算法是是目前应用最广泛的非对称加密算法，由Ron Rivest、Adi Shamir和Leonard Adleman三人在1978年发明，名字来源三人的姓氏首字母。

public class RSA {
    private static final String RSA_ALGORITHM = "RSA";

    /**
     * 生成RSA密钥对
     *
     * @return RSA密钥对
     */
    public static KeyPair generateKeyPair() throws NoSuchAlgorithmException {
        KeyPairGenerator keyPairGenerator = KeyPairGenerator.getInstance(RSA_ALGORITHM);
        keyPairGenerator.initialize(2048); // 密钥大小为2048位
        return keyPairGenerator.generateKeyPair();
    }

    /**
     * 使用公钥加密数据
     *
     * @param data      待加密的数据
     * @param publicKey 公钥
     * @return 加密后的数据
     */
    public static String encrypt(String data, PublicKey publicKey) throws Exception {
        Cipher cipher = Cipher.getInstance(RSA_ALGORITHM);
        cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, publicKey);
        byte[] encryptedData = cipher.doFinal(data.getBytes(StandardCharsets.UTF_8));
        return Base64.getEncoder().encodeToString(encryptedData);
    }

    /**
     * 使用私钥解密数据
     *
     * @param encryptedData 加密后的数据
     * @param privateKey    私钥
     * @return 解密后的数据
     */
    public static String decrypt(String encryptedData, PrivateKey privateKey) throws Exception {
        byte[] decodedData = Base64.getDecoder().decode(encryptedData);
        Cipher cipher = Cipher.getInstance(RSA_ALGORITHM);
        cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, privateKey);
        byte[] decryptedData = cipher.doFinal(decodedData);
        return new String(decryptedData, StandardCharsets.UTF_8);
    }

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        KeyPair keyPair = generateKeyPair();
        PublicKey publicKey = keyPair.getPublic();
        PrivateKey privateKey = keyPair.getPrivate();

        String data = "Hello World";

        String encryptedData = encrypt(data, publicKey);
        System.out.println("加密后的数据：" + encryptedData);

        String decryptedData = decrypt(encryptedData, privateKey);
        System.out.println("解密后的数据：" + decryptedData);
    }
}

RSA算法的优点是安全性高，公钥可以公开，私钥必须保密，保证了数据的安全性；可用于数字签名、密钥协商等多种应用场景。

缺点是加密、解密速度较慢，密钥长度越长，加密、解密时间越长；密钥长度过短容易被暴力破解，密钥长度过长则会增加计算量和存储空间的开销。

BCryptPasswordEncoder 加密

BCryptPasswordEncoder 是一种不可逆加密方式， 它是 Spring Security 中使用的一个加密方法。BCryptPasswordEncoder 方法采用了 SHA-256+随机盐+密钥对密码进行加密。

• encode 方法加密：在 BCryptPasswordEncoder 中使用 encode 方法对密码进行加密，因为是通过 hash 算法进行加密，同样的密码输出的密文是不同的
• matches 方法解密/匹配: 虽然通过 encode 方法加密的密码是不能解密的，但是在 BCryptPasswordEncoder 中提供了一个 matches方法来匹配密码，它的原理是把需要配对的密码经过同一个 hash 函数计算，把计算得到的 hash 值到数据库中匹配，相同的hash值则说明是同一个密码。

BCryptPasswordEncoder 牛逼的地方在同一密码，比如 “12345”，每次使用 BCryptPasswordEncoder 加密后的结果居然不一样。其原理是这样的，每次加密时，BCryptPasswordEncoder 会生成一个随机盐，将密码和生成的随机盐一起加密，自然加密后的密文都不相同。

当用户注册时，输入原始密码，比如“12345”，那么经过 BCryptPasswordEncoder 加密后将得到一段密文，如 “$10$hGzrjH.uEkHxDvbPmfY5QOT./8aU6OsGnTu2TWvkphUKuf6Dsa9NC”。然后，将密文存放在数据库中，由于 BCryptPasswordEncoder 是采用不可逆加密方式，这样任何人都不知道用户的原始密码。

现在问题来了，如果用户输入原始密码登录，那怎么知道用户输入的密码和数据库里存储的密文是匹配的呀？

答案就是 BCryptPasswordEncoder 虽然采用不可逆加密方式，是无法从数据库中的密文推算出原始密码，但是却可以从密文中获得加密时使用的随机盐。BCryptPasswordEncoder 只需要将用户输入的原始密码和获得的随机盐一起进行加密，将得到的密文和数据库中存放的密文比较，匹配则说明用户输入密码正确，不匹配则说明用户输入密码错误。

BCryptPasswordEncoder 案例

使用 BCryptPasswordEncoder 需要导入 Spring Security 依赖，如下：

<dependency>
    <groupId>org.springframework.security</groupId>
    <artifactId>spring-security-core</artifactId>
    <version>5.1.7.RELEASE</version>
</dependency>

package com.binge;

import org.springframework.security.crypto.bcrypt.BCryptPasswordEncoder;
import org.springframework.security.crypto.password.PasswordEncoder;

/**
 * @author binge
 * @Description BCryptPasswordEncoder 加密案例
 * @date 2023年10月18日 上午 10:17
 */
public class BCryptPasswordEncoderDemo {
    public static void main(String[] args) {
        //获取 PasswordEncoder 实例
        PasswordEncoder passwordEncoder = new BCryptPasswordEncoder();

        //原始密码
        String rawPassword = "12345";

        //密码加密
        String encodePassword = passwordEncoder.encode(rawPassword);
        System.out.println(encodePassword);

        //判断密码是否匹配
        boolean matches = passwordEncoder.matches(rawPassword,encodePassword);
        System.out.println("判断密码是否匹配："+ matches);
    }
}

BCryptPasswordEncoder 优势和缺点

优势：BCryptPasswordEncoder 由于采用的是 SHA-256+随机盐的方式，安全性高

缺点：BCryptPasswordEncoder 每次加密都要调用 Hash 函数，性能偏低

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